Signalintegrität: Impedanzanpassung in Verbindung mit … · BGAs und Anforderungen bezüglich Impedanzen Impedanz definierte Leiterbahnen, single ended / differenziell müssen entflochten

Signalintegrität: Impedanzanpassung in Verbindung mit der Entflechtung von BGAs

02.09.2015 Seite 1 www.we-online.de

Agenda

Einleitung – fine pitch BGAs und Impedanz

Betrachtung verschiedener BGAs in Verbindung

mit Impedanz Anforderungen:

1.0 mm pitch BGA

0.8 mm pitch BGA

0.65 mm pitch BGA

0.5 mm pitch BGA

0.4 mm pitch BGA

Vorteile µVias


Philipp Reeb

Produktmanagement

BGAs und Anforderungen bezüglich Impedanzen

Impedanz definierte Leiterbahnen, single ended / differenziell müssen entflochten

werden

Typische Anforderungen, 50ohm (koaxiale Leitungen, GPS) 90ohm (USB) 100ohm

(LVDS, Ethernet, DDR3, SATA)

Bandbreite auf LP i.d.R. ca. 45 – 120ohm (CAN Bus)

Ideal: kritische Signale auf die Innenlagen dünnere und gleichmäßigere

Kupferschichtdicken (Genauigkeit höher), guter EMV Schutz

Typ und Anzahl der Anschlüsse (auch Anzahl Reihen) geben Anzahl der Lagen

der LP vor da Via Padgröße begrenzt siehe Design Rules


BGAs was muss beachtet werden bezüglich Impedanz

BGAs 1.27mm, 1.00mm, 0.8mm ohne µVias möglich. Die mögliche

Leiterbahnbreite wird bestimmt durch den Rasterabstand und die Padgrößen der

Vias, Anzahl Lagen und LP Dicke hängen ebenfalls davon ab.

– Basic Design Guide

Pitch BGA 0.65mm nur mit µVias möglich

– HDI Design Guide

Pitch BGA 0.5mm und 0.4mm nur mit µVias, Lagenabstand 60-70µm

– z.B. 50 und 100ohm Signale auf Kern Innenlagen unterhalb µVia Lagen routen,

oder Feinstleiterstrukturen (< 100µm)


Zu beachten:

Bei Platinen mit weniger als 12 Lagen kann hier

auch mit 35µm Kupfer gearbeitet werden

Bei hochlagigen Platinen ab ca. 12 Lagen kann

es erforderlich sein auf 17µm Kupfer zu gehen

insbesondere bei vorgegebener LP-Dicke

– Kleinere Strukturen möglich

– Kleinere Lagenabstände möglich

Wichtig:

Padgrößen und Aspect Ratio Vorgaben aus

Designrules (Basic- und HDI Design Guide)

einhalten um eine hohe Zyklenfestigkeit in der

Bohrung zu haben

– Stabiliere Hülse, höhere Zuverlässigkeit


BGA 1.0 mm & 0.8mm

BGA 1.00 mm

1.00 mm pitch BGA: mit PTHs

Wegen Einschränkung der Via Padgrößen gibt die Anzahl der zu entflechtenden

Reihen die Anzahl der Signallagen vor

Anzahl Lagen gibt Lagenabstände vor

Lagenabstände geben Leiterbahnbreiten und Abstände vor

je nach Lagenanzahl viele Möglichkeiten Leiterbahnbreiten und Abstände zu

dimensionieren

Je weniger Lagen desto mehr Spielraum was Impedanz angepasste

Leiterbahnen angeht

Unter Umständen 2 Leiterbahnen zwischen den Pads möglich (100µm),

Leiterbahnen und Abstände außerhalb des BGAs korrekt dimensionieren

(Impedanz Anforderung)


100µm

500 µm 500µm

BGA 1.0mm Beispiele Außenlage

Zo 50 Ohm @ 153 µm LB-Breite

Zdiff 90 Ohm @ 125 / 130 / 125 µm

Zdiff 100 Ohm @ 100 / 142 / 100 µm


Zdiff 90 Ohm @ 150 / 150 / 150 µm

Zdiff 100 Ohm @ 125 / 175 / 125 µm


Zdiff 90 Ohm @ 165 / 125 / 165 µm

Zdiff 100 Ohm @ 125 / 130 / 125 µm

Zdiff 120 Ohm @ 100 / 200 / 100 µm


BGA 1.0 mm Beispiele Innenlagen


Zdiff 90 Ohm @ 100 / 122 / 100 µm

Zdiff 100 Ohm @ 100 / 230 / 100 µm


Zdiff 90 Ohm @ 125 / 125 / 125 µm

Zdiff 100 Ohm @ 100 / 140 / 100 µm

Zdiff 120 Ohm @ 100 / 350 / 100 µm


BGA 0.8 mm

0.80 mm pitch BGA: mit PTHs und

oder µVias

Lagenaufbau wie pitch BGA 1.0mm

Unter Umständen µVia Technologie

sinnvoll

mehr Platz durch kleinere Via Pads

Bei PTHs max. 1 Leiterbahn zwischen

den Pads möglich auf den Innenlagen


PTH‘s µVias

Vorteile µVias im pitch BGA 0.8mm

Seite 10

BGA – Pitch 0.80 mm 20 x 20 Reihen Design Studie

PTH

Microvia

Wie viele Signal-Lagen sind notwendig?

Wie viele Signal-Lagen

sind notwendig?

02.09.2015 www.we-online.de

BGA 0.8mm Außenlagen



Zdiff 90 Ohm @ 150 / 150 / 150 µm

Zdiff 100 Ohm @ 100 / 127 / 100 µm


Zdiff 90 Ohm @ 100 / 130 / 130 µm

Zdiff 100 Ohm @ 100 / 270 / 100 µm


Zdiff 90 Ohm @ 165 / 125 / 165 µm

Zdiff 100 Ohm @ 125 / 130 / 125 µm

Zdiff 120 Ohm @ 100 / 200 / 100 µm


BGA 0.8 mm Innenlagen


Zdiff 90 Ohm @ 100 / 122 / 100 µm

Zdiff 100 Ohm @ 100 / 230 / 100 µm


Zdiff 90 Ohm @ 125 / 125 / 125 µm

Zdiff 100 Ohm @ 100 / 140 / 100 µm

Zdiff 120 Ohm @ 100 / 350 / 100 µm

Anpassung auf kurzen Stücken weniger

Kritisch, auf längeren Strecken anpassen!

BGA 0.65mm


BGA 0.65 mm

Beim pitch BGA 0.65mm muss zur Entflechtung mit

µVias gearbeitet werden

µVias mit 2113 oder 2116 Prepreg mögl. (90-110µm)

50 und 100ohm noch möglich auf µVia Lagen

100 µm Leiterbahnen notwendig Standard

Kritische Signale auf die Lagen mit Kern unterhalb

der µVia Lagen

dünnere und gleichmäßigere Kupferschichtdicken

(Genauigkeit höher), guter EMV Schutz

Mehr Möglichkeiten Lagenabstände einzustellen

Enflechtung über µVias in Kombination mit Burried

Vias

Min. µVia Padgröße 325 µm


Bsp. Impedanz Leiterbahnen beim pitch BGA 0.65 mm

S1 Zo 50 Ohm @ 154 µm LB-Breite

S1 Zdiff 90 Ohm @ 125 / 125 / 125 µm

S1 Zdiff 100 Ohm @ 100 / 137 / 100 µm


S2 Zdiff 90 Ohm @ 100 / 160 / 100 µm

S2 Zdiff 100 Ohm @ 90 / 300 / 90 µm


S2 Zdiff 90 Ohm @ 100 / 122 / 100 µm

S2 Zdiff 100 Ohm @ 100 / 230 / 100 µm


S3 Zdiff 90 Ohm @ 125 / 144 / 125 µm

S3 Zdiff 100 Ohm @ 100 / 155 / 100 µm


BGA 0.5 mm

Entflechtung nur mit µVias möglich

kleine Lagenabstände auf µVia Lagen (nur 1080

Prepreg min. 275µm Pads)

Je nach Lagenreihenfolge Feinststrukturen

notwendig um gängige Impedanz definierte

Strukturen auf den µVia Lagen zu routen

Besser:

Kritische Signale auf den Innenlagen legen

Auch bessere Schirmung gegen ext. Störquellen

Entflechtung über µVias in Kombination mit

Burried Vias ideal

Weniger Relektionen vs. PTH‘s


BGA 0.5 mm

Entflechtung nur mit µVias möglich

kleine Lagenabstände auf µVia Lagen (nur 1080

Prepreg min. 275µm Pads)

Je nach Lagenreihenfolge Feinststrukturen

notwendig um gängige Impedanz definierte

Strukturen auf den µVia Lagen zu routen

Besser:

Kritische Signale auf den Innenlagen legen

Auch bessere Schirmung gegen ext. Störquellen

Entflechtung über µVias in Kombination mit

Burried Vias ideal

Weniger Relektionen vs. PTH‘s


Signalintegrität HDI

Seite 18

Störstellen in verschiedenen Verbindungssystemen

Microvias in Verbindung mit innenliegenden Durchkontaktierungen

ergeben weniger Störungen!

Version 1:

PTH

Version 2:

Microvia / Buried Via

open ends

antenna

02.09.2015 www.we-online.de

BGA 0.5 mm Außenlagen und Innenlage µVia

75 µm Strukturen möglich zwischen

den Pads bei Via in Pad Technologie

Auf den AL (S1) noch möglich mit

reduzierter Kupferschicht (ca. 25 µm)


S1 Zdiff 100 Ohm @ 100 / 168 / 100 µm

Auf den IL (S2) stark eingeschränkt


S2 Zdiff 99 Ohm @ 75 / 225 / 75 µm


0,50 mm Pitch

LB-Breite Innen + Außenlagen 75 µm

BGA Pad

275 µm

Freistellung

Lötstoppmaske 35 µm

Leiterabstand Innen + Außenlagen 75 µm

Daher besser:

kritische Signale auf Innenlagen mit Kern

unterhalb der µVia Lagen platzieren

BGA 0.4 mm

Keine Leiterbahnen zwischen den

Pads möglich

Ausreichend LSM zwischen

Lötpads

Impedanzen:

WE Empfehlung wie beim pitch

BGA 0.5mm

Kritische Signale auf Innenlagen

platzieren

Enflechtung über µVias und

Burried Vias oder mit PTHs

außerhalb des BGAs


275 µm

BGA-Lötpad 100 µm

Leiterbahnbrei

te

35 µm Freistellung

Lötstoppmaske

Lötpad =

µVia Pad

auf Lage 1

300µm

µVia Pad

auf Lage 2

300µm

µVia Pad

auf Lage 3

300µm

µVia Pad

auf Lage 4

BGA 0.4 mm

Keine Leiterbahnen zwischen den

Pads möglich

Ausreichend LSM zwischen

Lötpads

Impedanzen:

WE Empfehlung wie beim pitch

BGA 0.5mm

Kritische Signale auf Innenlagen

platzieren

Enflechtung über µVias und

Burried Vias oder mit PTHs

außerhalb des BGAs


BGA 0.5 mm & 0.4 mm Innenlagen



S2 Zdiff 90 Ohm @ 100 / 142 / 100 µm

S2 Zdiff 100 Ohm @ 75 / 125 / 75 µm


S2 Zdiff 100 Ohm @ 100 / 150 / 100 µm

Leiterbahnen und Abstände

außerhalb des BGA‘s korrekt

dimensionieren im 0.5mm BGA

0.5 mm BGA

Besser:

Zusammenfassung

Bei der Entflechtung von BGAs muss Rücksicht genommen werden auf die

Impedanz Anforderungen der Bauteile

Generell sollten kritische Signale auf den Innenlagen geroutet werden

Pitch BGA 1.0 mm und 0.8 mm und größer können mit durchgehenden Vias

entflochten werden daher wenig Einschränkung im Lagenaufbau

Pitch BGA 0.65 mm, 0.5mm und 0.4mm benötigen µVias zu Entflechtung

- daher mehr Einschränkungen im Lagenaufbau

Bei den Vias sollte bei jedem BGA auf die geeignete Padgröße und das

entsprechende Aspect Ratio geachtet werden damit die Zuverlässigkeit gegeben

ist

Würth Elektronik kann Sie jederzeit mit einem entsprechenden auf den BGA

angepassten Aufbau unterstützen


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Philipp Reeb

WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG

Produkt Management

Signalintegrität

Circuit Board Technology

T.: +49 7622 397 277

E. [email protected]

W. www.we-online.de

Die Kenntnis der Zusammenhänge ist ein Erfolgsgeheimnis!

www.we-online.de Seite 24

Documents

Signalintegrität: Impedanzanpassung in Verbindung mit … · BGAs und Anforderungen bezüglich Impedanzen Impedanz definierte Leiterbahnen, single ended / differenziell müssen entflochten